DE102022212757A1

DE102022212757A1 - Vorrichtung zur Nachbehandlung von Abgasen

Info

Publication number: DE102022212757A1
Application number: DE102022212757.9A
Authority: DE
Inventors: Rolf Brück; Peter Hirth; Katrin Konieczny
Original assignee: Emitec Tech GmbH; Emitec Technologies GmbH
Current assignee: Emitec Technologies De GmbH
Priority date: 2022-11-29
Filing date: 2022-11-29
Publication date: 2024-05-29
Also published as: WO2024115287A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Nachbehandlung von Abgasen eines Verbrennungsmotors, mit einer entlang einer Hauptdurchströmungsrichtung durchströmbaren metallischen Matrix (5), die in einem Mantelrohr (1, 11) eingesetzt ist, wobei die Matrix (5) aus einem aus mehreren Metallfolien gebildeten Lagenstapel gebildet ist, der um zumindest einen Drehpunkt aufgewickelt ist, wobei zumindest einzelne der Metallfolien zumindest teilweise strukturiert sind, wodurch zwischen den Metallfolien eine Mehrzahl von Strömungskanälen ausgebildet ist, die entlang der Hauptdurchströmungsrichtung von einer Gaseinlassseite der Matrix (5) hin zu einer Gasauslassseite durchströmbar sind, wobei zwischen dem Mantelrohr (1, 11) und der Matrix (5) ein Innenrohr (6) angeordnet ist wobei zwischen dem Innenrohr (6) und dem Mantelrohr (1, 11) ein Luftspalt (7) ausgebildet ist.

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Nachbehandlung von Abgasen eines Verbrennungsmotors, mit einer entlang einer Hauptdurchströmungsrichtung durchströmbaren metallischen Matrix, die in einem Mantelrohr eingesetzt ist, wobei die Matrix aus einem aus mehreren Metallfolien gebildeten Lagenstapel gebildet ist, der um zumindest einen Drehpunkt aufgewickelt ist, wobei zumindest einzelne der Metallfolien zumindest teilweise strukturiert sind, wodurch zwischen den Metallfolien eine Mehrzahl von Strömungskanälen ausgebildet ist, die entlang der Hauptdurchströmungsrichtung von einer Gaseinlassseite der Matrix hin zu einer Gasauslassseite durchströmbar sind.
Stand der Technik
Wabenkörper für Katalysatoren zur Abgasnachbehandlung von Verbrennungsmotoren weisen eine Mehrzahl von entlang einer Hauptdurchströmungsrichtung durchströmbaren Strömungskanälen auf. Wabenkörper, insbesondere Wabenkörper aus Metall, sind durch eine Vielzahl von glatten und/oder zumindest teilweise strukturierten Metallfolien gebildet, die aufeinandergestapelt und zum endgültigen Wabenkörper aufgewickelt sind. Die aus den Metallfolien gebildete Matrix wird zur Stabilisierung und zum Zwecke des Schutzes vor mechanischen Störeinflüssen in ein Gehäuse eingesetzt und mit diesem dauerhaltbar verbunden.
Das Gehäuse ist im einfachsten Fall durch ein Rohr gebildet, welches dazu ausgebildet ist, die Matrix in seinem Inneren aufzunehmen. Eine weitere Funktion des Gehäuses ist es, die Durchströmung des Wabenkörpers sicherzustellen und insbesondere das Vorbeiströmen von Abgas am Wabenkörper zu vermeiden.
Die Befestigung der Matrix im Gehäuse muss einerseits dauerhaltbar erfolgen, weswegen regelmäßig Lötverbindungen zwischen der Matrix und dem Mantel erzeugt werden.
Nachteilig an den Vorrichtungen im Stand der Technik ist insbesondere, dass die Matrix zumeist vollflächig an dem Mantel anliegt und mittels Lötverbindung mit diesem verbunden ist, wodurch sich die Matrix radial und in axialer Richtung nicht flexibel bewegen kann. Darüber hinaus wird durch die im Wesentlichen vollflächige Anlage der Matrix an dem Mantel eine thermisch sehr gut leitfähige Brücke erzeugt, wodurch Wärmeenergie über die Matrix hin zum Mantel und schließlich in die Umgebung abgeleitet wird. Dies führt zu einem verspäteten Erreichen der Light-Off Temperatur.
Darstellung der Erfindung, Aufgabe, Lösung, Vorteile
Daher ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine Vorrichtung zur Nachbehandlung von Abgasen zu schaffen, welche eine verbesserte thermische Isolation zwischen der Matrix und dem Mantel aufweist.
Die Aufgabe hinsichtlich der Vorrichtung wird durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen von Anspruch 1 gelöst.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Nachbehandlung von Abgasen eines Verbrennungsmotors, mit einer entlang einer Hauptdurchströmungsrichtung durchströmbaren metallischen Matrix, die in einem Mantelrohr eingesetzt ist, wobei die Matrix aus einem aus mehreren Metallfolien gebildeten Lagenstapel gebildet ist, der um zumindest einen Drehpunkt aufgewickelt ist, wobei zumindest einzelne der Metallfolien zumindest teilweise strukturiert sind, wodurch zwischen den Metallfolien eine Mehrzahl von Strömungskanälen ausgebildet ist, die entlang der Hauptdurchströmungsrichtung von einer Gaseinlassseite der Matrix hin zu einer Gasauslassseite durchströmbar sind, wobei zwischen dem Mantelrohr und der Matrix ein Innenrohr angeordnet ist wobei zwischen dem Innenrohr und dem Mantelrohr ein Luftspalt ausgebildet ist.
Die in das Innenrohr eingesetzte und mit diesem verbundene Matrix ist innerhalb des Mantelrohrs angeordnet. Zwischen dem Innenrohr und dem Mantelrohr ist zumindest abschnittsweise ein im Umfangsrichtung umlaufender Luftspalt ausgebildet. Der Luftspalt bildet eine thermische Isolation aus, wodurch die Übertragung von Wärmeenergie von der Matrix hin zum Mantelrohr reduziert wird.
Das Innenrohr weist im Vergleich zum Mantelrohr eine deutlich geringere Materialstärke auf und dient im Wesentlichen zur Stabilisierung der aus mehreren Metallfolien gebildeten Matrix.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn der Luftspalt in Umfangsrichtung um das Innenrohr umlaufend ausgebildet ist und sich in axialer Richtung zumindest entlang eines Abschnittes der Vorrichtung erstreckt. Bevorzugt erstreckt sich der in Umfangsrichtung umlaufende Luftspalt in axialer Richtung zumindest über einen Teilbereich der Vorrichtung. Auch ist es vorteilhaft, wenn der Luftspalt sich von der Gaseinlassseite entlang der Hauptdurchströmungsrichtung hin zum Zentrum der Vorrichtung erstreckt. Der Luftspalt erstreckt sich bevorzugt von der Gaseinlassseite hin zum Zentrum. Insbesondere im Bereich der Gaseinlassseite treten im Betrieb besonders hohe Temperaturen auf, weswegen insbesondere in diesem Bereich die Wärmeübertragung hin zum Mantelrohr reduziert werden soll.
Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel ist dadurch gekennzeichnet, dass das Innenrohr eine Materialstärke kleiner als 1 mm aufweist, bevorzugt eine Materialstärke kleiner als 0,6 mm aufweist, besonders bevorzugt eine Materialstärke kleiner als 0,5 mm aufweist.
Auch ist es zu bevorzugen, wenn der Luftspalt eine Dicke in radialer Richtung von mehr als 1 mm aufweist, bevorzugt von mehr als 2 mm, besonders bevorzugt von mehr als 3 mm und weniger als 5 mm. Je dicker der Luftspalt ist umso größer ist die Isolationswirkung des Luftspaltes. Bevorzugt ist der Luftspalt besondere in den Bereichen der Vorrichtung maximal, in welchen die thermische Belastung maximal ist. In einer vorteilhaften Ausgestaltung kann der Luftspalt entlang der axialen Erstreckung der Vorrichtung variieren, so dass für das jeweils zu erwartende Temperaturniveau ein geeignet dicker Luftspalt erzeugt ist. Weiterhin ist es vorsehbar, dass der Luftspalt in bestimmten Bereichen der Vorrichtung, beispielsweise im Bereich der Gasauslassseite nicht ausgebildet ist.
Darüber hinaus ist es vorteilhaft, wenn das Mantelrohr eine Isolationsschicht an der radial nach innen gerichteten Fläche aufweist. Eine Isolationsschicht ist besonders vorteilhaft, um den Übergang von Wärmeenergie weiter zu reduzieren. Bevorzugt weist die Isolationsschicht eine geringe thermische Masse auf. In einer bevorzugten Ausführung kann die Isolationsschicht durch eine keramische Beschichtung des Mantelrohrs gebildet sein. Alternativ kann die Isolationsschicht durch eine Mehrzahl dünner metallischer Folien gebildet sein, die durch Abstandshalter zumindest abschnittsweise zueinander beabstandet sind.
Abstandshalter können beispielsweise durch Sicken und spezifische Formgebungen der Metallfolien ausgebildet sein. Die Sicken weisen hierzu beispielsweise Dicken von wenigen zehntel Millimetern auf. Alternativ können die Metallfolien andere Strukturierungen aufweisen, wie beispielsweise Wellungen, welche Luftkammern zwischen den einzelnen Metallfolien ausbilden und so eine thermische Isolation erzeugen.
Weiterhin ist es zweckmäßig, wenn das Mantelrohr im Bereich der Gaseinlassseite eine Querschnittsverjüngung aufweist, wobei die Innenseite des Mantelrohrs an der Außenseite des Innenrohrs anliegt. Die Querschnittsverjüngung kann beispielsweise durch eine Einkerbung erzeugt werden, die von außen in das Mantelrohr eingebracht wird. Die Einkerbung ist bevorzugt spitz ausgebildet, was bedeutet, dass die dem Innenrohr zugewandte Fläche möglichst gering ist. Hierdurch wird die Anlagefläche des Mantelrohrs an dem Innenrohr reduziert, was den Wärmeübertrag vom Innenrohr hin zum Mantelrohr reduziert. Die Einkerbung beziehungsweise die Reduzierung des Querschnitts des Mantelrohrs soll den Eintrag von Washcoat in den Luftspalt verhindern beziehungsweise diesen minimieren und das Einströmen von heißem Abgas in den Luftspalt verhindern.
Anstelle einer Einkerbung kann in einer alternativen Ausgestaltung an der Innenfläche beispielsweise auch ein in Umfangsrichtung umlaufender Absatz vorgesehen werden.
Vorteilhafte Weiterbildungen der vorliegenden Erfindung sind in den Unteransprüchen und in der nachfolgenden Figurenbeschreibung beschrieben.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen detailliert erläutert. In den Zeichnungen zeigen:

1 eine Schnittansicht durch eine Vorrichtung wobei an der Innenfläche des Mantelrohrs eine thermische Isolationsschicht aus mehreren Metallfolien angeordnet ist,
2 eine Schnittansicht durch eine Vorrichtung wobei an der Innenfläche des Mantelrohrs eine keramische Schicht als thermische Isolationsschicht angeordnet ist, und
3 eine Schnittansicht durch eine Vorrichtung wobei das Mantelrohr eine Eikerbung aufweist, wobei das Mantelrohr mit der Spitze der Einkerbung an der Außenfläche des Innenrohrs anliegt.

Bevorzugte Ausführung der Erfindung
Die 1 zeigt einen Schnitt durch ein Mantelrohr 1. Das Mantelrohr 1 weist auf seiner nach innen gerichteten Fläche eine Isolationsschicht 2 auf. Die Isolationsschicht 2 ist im Ausführungsbeispiel der 1 durch eine Mehrzahl von Metallfolien 3 gebildet, welche aufeinandergestapelt sind. Die Metallfolien 3 weisen Sicken 4 auf, welche die Metallfolien 3 zueinander beabstanden. Die Metallfolien 3 weisen insgesamt eine geringe thermische Masse auf, weswegen sie gut dazu geeignet sind einen Transport von Wärmeenergie vom Inneren der Matrix 5 hin zum Mantelrohr 1 zu unterbinden oder zumindest zu verringern.
Im Zentrum des Mantelrohrs 1 ist die Matrix 5 angeordnet, welche in einem Innenrohr 6 aufgenommen ist. Zwischen dem Innenrohr 6 und der thermischen Isolationsschicht 2 ist ein Luftspalt 7 ausgebildet. Dieser Luftspalt 7 erstreckt sich in axialer Richtung 8 zumindest bereichsweise über die gesamte Vorrichtung. Bevorzugt ist der Luftspalt 7 im Bereich der Gaseinlassseite ausgebildet und erstreckt sich von dort in Richtung des Zentrums der Vorrichtung.
Das Innenrohr 6 weist eine wesentlich geringere Dicke 9 auf als das Mantelrohr 1.
2 zeigt einen Schnitt durch eine Vorrichtung, die einen ähnlichen Aufbau aufweist wie das Beispiel aus 1. Im Unterschied zur 1 ist die thermische Isolationsschicht 10 durch eine keramische Beschichtung gebildet. Die übrigen Komponenten sind identisch zum Ausführungsbeispiel der 1.
3 zeigt eine Mantelrohr 11, welches eine Sicke 12 aufweist, die von außen in das Mantelrohr 11 eingeformt ist. Die Sicke 12 bildet nach innen eine Spitze aus, die bis hin zum Innenrohr6 reicht und mit diesem in Anlage ist. Das Mantelrohr 11 weist darüber hinaus eine thermische Isolationsschicht 10 auf, wie bereits in 2 gezeigt. Auch die weiteren Komponenten sind mit den Ausführungsbeispielen der 1 und 2 identisch.
Die Sicke 12 schließt den Luftspalt 7, so dass einerseits von der Gaseinlassseite beim Beschichten der Metallfolien der Matrix 5 kein Washcoat in den Luftspalt 7 eindringen kann und diesen möglicherweise verblockt und weiterhin kein heißes Abgas von der Gaseinlassseite in den Luftspalt 7 strömen kann. Der physische Kontakt zwischen dem Mantelrohr 11 und dem Innenrohr 6 ist möglichst gering, um die Wärmeleitung möglichst klein zu halten.
Die Ausführungsbeispiele der 1 bis 3 weisen insbesondere keinen beschränkenden Charakter auf und dienen der Verdeutlichung des Erfindungsgedankens.
Bezugszeichenliste

1: Mantelrohr
2: thermische Isolationsschicht
3: Metallfolien
4: Sicken
5: Matrix
6: Innenrohr
7: Luftspalt
8: axiale Richtung
9: Dicke
10: thermische Isolationsschicht
11: Mantelrohr
12: Sicke

Claims

Vorrichtung zur Nachbehandlung von Abgasen eines Verbrennungsmotors, mit einer entlang einer Hauptdurchströmungsrichtung durchströmbaren metallischen Matrix (5), die in einem Mantelrohr (1, 11) eingesetzt ist, wobei die Matrix (5) aus einem aus mehreren Metallfolien gebildeten Lagenstapel gebildet ist, der um zumindest einen Drehpunkt aufgewickelt ist, wobei zumindest einzelne der Metallfolien zumindest teilweise strukturiert sind, wodurch zwischen den Metallfolien eine Mehrzahl von Strömungskanälen ausgebildet ist, die entlang der Hauptdurchströmungsrichtung von einer Gaseinlassseite der Matrix (5) hin zu einer Gasauslassseite durchströmbar sind, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Mantelrohr (1, 11) und der Matrix (5) ein Innenrohr (6) angeordnet ist wobei zwischen dem Innenrohr (6) und dem Mantelrohr (1, 11) ein Luftspalt (7) ausgebildet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Luftspalt (7) in Umfangsrichtung um das Innenrohr (6) umlaufend ausgebildet ist und sich in axialer Richtung (8) zumindest entlang eines Abschnittes der Vorrichtung erstreckt.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Luftspalt (7) sich von der Gaseinlassseite entlang der Hauptdurchströmungsrichtung hin zum Zentrum der Vorrichtung erstreckt.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Innenrohr (6) eine Materialstärke kleiner als 1 mm aufweist, bevorzugt eine Materialstärke kleiner als 0,6 mm aufweist, besonders bevorzugt eine Materialstärke kleiner als 0,5 mm aufweist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Luftspalt (7) eine Dicke in radialer Richtung von mehr als 1 mm aufweist, bevorzugt von mehr als 2 mm, besonders bevorzugt von mehr als 3 mm und weniger als 5 mm.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Mantelrohr (1, 11) eine Isolationsschicht (2, 10) an der radial nach innen gerichteten Fläche aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Isolationsschicht (2, 10) eine geringe thermische Masse aufweist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Isolationsschicht (10) durch eine keramische Beschichtung des Mantelrohrs (11) gebildet ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Isolationsschicht (2) durch eine Mehrzahl dünner metallischer Folien (3) gebildet ist, die durch Abstandshalter (4) zumindest abschnittsweise zueinander beabstandet sind.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Mantelrohr (11) im Bereich der Gaseinlassseite eine Querschnittsverjüngung (12) aufweist, wobei die Innenseite des Mantelrohrs (11) an der Außenseite des Innenrohrs (6) anliegt.